Frekvensskalbara icke-linjära transmissionslinjebaserade vektornätverksanalysatorer beskrivs här av Karam Noujeim, Jon Martens och Tom Roberts vid avdelningen för mikrovågsmätning inom Anritsu.

Vektornätverksanalysatorer (VNA) med hög frekvens använder övertonssamplare, eller blandare, för att nedkonvertera mätsignaler till mellanfrekvenser innan de digitaliseras. Sådana nedkonverteringskomponenter spelar en avgörande roll i VNA-enheter eftersom de sätter gränserna för viktiga parametrar som konverteringseffektivitet, mottagarkompression, isolation mellan mätkanaler och parasitgenerering vid portarna på ett testobjekt (device under test, DUT). Medan övertonssamplare och blandare alla har sina egna unika för- och nackdelar tycks blandare vara de nedkonverterare som föredras vid RF-frekvenser, huvudsakligen beroende på lokaloscillatorns (LO) enklare drivsystem och bättre impulshanteringsfördelar. Vid mikrovågs- och millimetervågsfrekvenser (där mottagarkompression och kostnad är av största vikt) används ofta övertonsssampling. I situationer där frekvensbanden spänner över RF-, mikrovågs- och millimetervågsspektra kan övertonssamplare och blandare användas tillsammans för att optimera resultatet över hela frekvensområdet för en VNA.

Fig 1. VNA-reflektometerarkitekturen bygger på sampling i ekvivalent tid. Samplare har traditionellt grindats av pulser, genererade av en SRD (step-recovery-diode). LO- och RF-källorna är synkroniserade.

Samplingsbaserade reflektometrar använder sampling eller övertonsblandning i ekvivalent tid för att "tidsutsträcka" kopplade versioner av infallande vågor på och reflekterade från ett testobjekt innan de digitaliseras med en A/D-omvandlare (ADC). Det här tillvägagångssättet resulterar i en förenklad VNA-arkitektur med lägre kostnad jämfört med en som använder grundtonsblandning. Det är ett direkt resultat av samplingsprocessens natur i ekvivalent tid där frekvensområdet hos lokaloscillatorn (eller stroben) begränsas till en oktav medan dess övertoner påverkar nedkonverteringen av de kopplade högfrekventa signalerna. LO-källan som krävs för avkänning av samplarna verkar i ett lägre frekvensområde än vad som skulle krävas i en grundtonsblandad VNA. Det sker på bekostnad av ökad konverteringsförlust.

Fig 2. En tidsdomänillustration av sampling i ekvivalent tid. (a) En sinusformad RF-vågform vRF(t) = Acos(2pfRFt,) uppkommer vid ingången på den ideala serieswitchen. (b) Switchkonduktansen, g(t), med en grindöppning, Tg, och en frekvens på fLO = 1/TLO (Hz). (c) Den nedkonverterade mellanfrekvensignalens vågform, vIF(t), tillsammans med en lågpassfiltrerad version av densamma.

Den periodiska naturen hos infallande och reflekterade vågor möjliggör nedkonvertering genom sampling i ekvivalent tid, även kallat undersampling, övertonssampling eller super-Nyquist-sampling. Sampel av en sinusformad RF-vågform i period TRF uppkommer vid utgången på en idealisk switch grindad med en frekvens på TLO. Den samplade mellanfrekvensvågformen, vIF(t), är den aritmetiska produkten av den sinusformade RF-vågformen, vRF(t), och den ideala switchkonduktansen, g(t).

vIF(t) = vRF(t) × g(t)                                     (1)

där g(t) kan uttryckas som en trigonometrisk fourierserie som i (2)

där sinc(x) = sin(x)/x.

Det framgår tydligt av fig 2 att lågpassfiltrering av mellanfrekvenssignalen resulterar i en "tidsutsträckt" kopia av RF-vågformen. Det kan också visas att grindtiden, Tg, har betydande effekt på magnitudresponsen hos idealswitchen. Det betyder att en minskning av switchens grindtid åtföljs av en ökning i RF-bandbredden på bekostnad av reducerad konverteringseffektivitet.

Fig 3. En samplings-VNA baserad på SRD (step-recovery-diod). Läckage mellan testkanaler begränsar VNAns dynamiska omfång och förhindrar fullständig karaktärisering av mycket reflekterande enheter såsom vågledarfilter. Här upprätthålls koherensen mellan samplingskanalerna genom användning av en enda SRD.

Praktisk implementering av samplare för VNA-enheter har traditionellt byggt på Schottkydioder som switchar och SRD (step-recovery-dioder) för pulsgenerering. En sådan implementering, en samplingskrets som Grove står bakom, har använts i stor utsträckning i en mängd instrument, bland annat mikrovågs-VNA, samplingsoscilloskop och frekvensräknare. I den här kretsen används en spänningspuls för att grinda Schottkydioder över ett kort tidsintervall, Tg. Över detta intervall drivs Schottkydioderna till ledning och laddar samplingskondensatorer, Cs. Laddningen som finns i kondensatorerna resulterar i en utvågform som är relaterad till RF-ingångens polaritet och amplitud.

Fig 5. NLTL-baserad reflektometer integrerad med en enports-VNA i illustrationssyfte.

Även om SRD-dioderna gjorde det möjligt att öka RF-bandbredden i VNA till 65 GHz förhindrar en begränsad falltid och brist på LO-frekvensskalbarhet deras användning i VNA med högre frekvens. Dessutom begränsas det dynamiska omfånget av transmissionsmätningar i en SRD-baserad samplings-VNA av bristen på bredbandiga kretsar för isolerande testkanaler. Kanalisolering förstås bäst genom att granska den SRD-grindade samplingsreflektometern och då notera att undertryckning av läcksignaler kräver att man använder bredbandiga isolatorer i splitterutgångarna.

Fig 6. NLTL-baserad extern reflektometer för utökning av frekvensområdet i en VectorStar-VNA från 54 till 110 GHz.

Dessa observationer, tillsammans med det faktum att sådana frekvensberoende läckagefenomen inte kan utkalibreras, visar att det dynamiska omfånget i en SRD-baserad samplings-VNA är begränsat. Det i sin tur förhindrar fullständig karaktärisering av mycket reflekterande enheter, såsom högpassfilter, och enheter där svag koppling ingår. dessa måste helt och hållet mätas som en funktion av frekvensen (t ex svag överhörning).

Icke linjär transmission
Dessa begränsningar kan övervinnas genom användning av samplare baserade på icke-linjära transmissionslinjer (NLTL). NLTLer är distribuerade enheter som stödjer utbredning av icke-linjära elektriska vågor såsom stötvågar och solitoner. De utgörs av transmissionslinjer med hög impedans med varaktordioder för att skapa ett utbredningsmedium vars fashastighet, och därmed tidsfördröjning, är en funktion av momentanspänningen. För en steglik vågformsutbredning i en NLTL färdas vågdalen med högre fashastighet än toppen. Det resulterar i en kompression av falltiden och leder till formering av en brant vågfront som liknar den hos en stötvåg.

Fig 7. Den uppmätta råa direktiviteten i en NLTL-baserad VNA och extern reflektometer.

För att utöka bandbredden hos en VectorStar VNA till 110 GHz utformades en extern reflektometer baserad på NLTL-samplare och övertonsgeneratorer. Reflektometern integrerades i VNAn.
Den uppmätta råa direktiviteten hos VNAn och dess externa reflektometer är bättre än 6 dB över hela frekvensområdet. Rå direktivitet i kombination med en minskande temperaturgradient över den externa reflektometern och LO-nivåstyrning bidrar till långvarig mätstabilitet. Å andra sidan överskrider det uppmätta dynamiska området 100 dB från 70 KHz till 110 GHz vilket möjliggör karaktärisering av mycket reflekterande enheter och svag överhörning. Slutligen är det uppmätta LO-strömläckaget ut från testporten på reflektometern mindre än -40 dBm i hela LO-frekvensområdet 5-10 GHz. Det uppnås genom noggrann utformning av LO-drivkretsarna som isoleras från testporten vid minst 65 dB i området 5-10 GHz. LO-läckage skulle kunna filtreras ytterligare eftersom det ligger utanför bandet.

Fig 8. Det uppmätta dynamiska omfånget i en NLTL-baserad VNA och externa reflektometrar i frekvensbandet 70 kHz-110 GHz vid en mellanfrekvensbandbredd av 10 Hz. Det dynamiska området överskrider 100 dB i hela bandet.

NLTL-baserade reflektometrar skulle kunna användas för att utöka frekvensområdet hos en VNA till millimetervågorna. Det lilla formatet och låga vikten gör den till ett förstklassigt alternativ för användning i multiportsmätningar på halvledare och närfältsskanning. Möjligheten att placera reflektometern nära en DUT förbättrar dessutom testportseffekten och förbättrar VNAns råa direktivitet vilket leder till långvarig mätstabilitet.

Fig 9. Det uppmätta LO-läckaget ut från testporten på den externa reflektometern i LO-frekvensområdet.

En viktig fördel hos miniatyrreflektometern är dess diskreta natur som håller RF-vägen från bas-VNAn till testporten intakt. Slutresultatet är en kontinuerlig frekvenstäckning, här visat från 70 kHz till 110 GHz, ett område som endast begränsas av bandbredden hos koaxialkontakten och antalet NLTL-multiplikatorkedjor. Detta, i kombination med en NLTL-baserad samplingsbrygga, gör det möjligt att utöka VNA-frekvensområdet utan användning av kombinationsenheter och förbättrar analysatorns direktivitet. Detta står i skarp kontrast till befintliga VNA-frekvensomfång där en stor extern kombinationsenhet används för att länka samman två frekvensband med försämring av rå direktivitet och inlänkningsförlust som följd.
Karam Noujeim, Jon Martens och Tom Roberts, avdelningen för mikrovågsmätning, Anritsu

Filed under: Radimat